Evoked Potentials dalam EEG

Apa itu Evoked Potential?

Evoked potential adalah perubahan tegangan EEG yang berbeda dan terukur yang terjadi segera setelah stimulus eksternal. "Evoked" (terbangkitkan) mengacu pada pemicu kausal: sesuatu terjadi, dan otak merespons. Sementara itu, "potential" mengacu pada perbedaan potensial listrik yang berkembang di antara elektroda perekam pada kulit kepala.

Apa yang membuat sinyal ini berguna secara ilmiah adalah sifat yang disebut waktu stimulus-locked (terkunci stimulus). Respons saraf mengikuti stimulus dengan penundaan yang singkat dan cukup dapat diprediksi, dan selalu diukur dengan mengacu pada saat onset stimulus terjadi.

Dalam istilah praktis, seorang peneliti yang menyajikan nada melalui headphone atau memancarkan pola visual pada layar menyelaraskan setiap zaman EEG ke saat yang tepat ketika stimulus diberikan. Setiap perubahan listrik konsisten yang muncul sesaat setelah titik penyelarasan tersebut dianggap sebagai bagian dari respons yang dibangkitkan.

Ini secara mendasar berbeda dari aktivitas spontan otak yang sedang berlangsung. Otak menghasilkan medan listrik secara terus-menerus, terlepas dari apakah ada stimulus atau tidak.

Evoked potential adalah respons kecil yang terikat waktu yang berada di atas latar belakang biasa. Aktivitas spontan terus berlanjut baik ada stimulus maupun tidak. Evoked potential muncul hanya karena stimulus terjadi.

Evoked potential dapat dipicu melalui dua cara umum:

1. Input sensorik alami: suara, pola visual, sentuhan.

2. Stimulasi eksperimental langsung pada korteks: Sebagai contoh, pulsa magnetik yang digunakan dalam stimulasi magnetik transkranial.

Dari Mana Asal Evoked Potential

Evoked potential yang direkam di kulit kepala adalah jumlah aktivitas listrik dari populasi besar neuron kortikal.

Sumber utama dari aktivitas penjumlahan ini adalah potensial pascasinaps. Ketika satu neuron mengirimkan sinyal ke neuron lain, neuron penerima mengalami perubahan listrik kecil pada sinapsisnya. Potensial pascasinaps ini adalah mata uang dasar dari komunikasi saraf.

Di korteks, kontributor terbesar dan paling teratur adalah sel piramidal, sejenis neuron eksitatori yang membentuk pengaturan berlapis di seluruh permukaan kortikal. Keteraturan geometris tersebut memungkinkan potensial pascasinaps mereka menjumlahkan diri menjadi medan listrik yang koheren.

Kemudian, medan lokal ini menyebar melalui jaringan otak di sekitarnya, melewati cairan serebrospinal yang melindungi otak, merambat melalui tengkorak, dan akhirnya mencapai kulit kepala.

Jenis-Jenis Tes Evoked Potential

Jenis tes evoked potential yang dipilih tergantung pada sistem sensorik atau jalur saraf yang sedang diperiksa. Setiap metode menggunakan stimulus yang berbeda dan merekam aktivitas dari lokasi yang dipilih untuk menangkap respons yang relevan.

Meskipun prosedur ini memiliki prinsip yang sama, persiapan, pola gelombang, dan kegunaan klinisnya berbeda. Kategori utamanya adalah pengujian visual, pendengaran, dan somatosensorik.

Visual Evoked Potentials (VEP)

Visual evoked potentials menilai aktivitas listrik yang dihasilkan di sepanjang jalur visual, dari mata melalui saraf optik dan struktur visual menuju bagian belakang otak. Protokol umum menyajikan layar berpola, meskipun stimulus pastinya dapat bervariasi sesuai dengan pengaturan pengujian. Elektroda pada kulit kepala merekam respons otak saat individu fokus pada target visual.

Pengujian VEP dapat membantu memberikan informasi fungsional ketika gejala visual tidak dapat dijelaskan atau ketika klinisi menilai kemungkinan gangguan pada jalur optik atau visual sentral. Hasilnya bukan merupakan ukuran langsung dari ketajaman visual, dan perekaman normal tidak mengecualikan setiap kelainan mata atau gangguan otak. Faktor-faktor seperti perhatian, fiksasi visual, koreksi bias, dan kejelasan stimulus dapat memengaruhi bentuk gelombang.

Pengujian Brainstem Auditory Evoked Potentials (BAEP)

Brainstem auditory evoked potentials mengukur respons listrik yang dihasilkan saat suara merambat melalui saraf pendengaran dan jalur batang otak. Bunyi klik atau nada biasanya disajikan melalui earphone, dan elektroda kulit kepala merekam serangkaian respons yang terjadi dalam waktu singkat setelah setiap suara. Bentuk gelombang mengandung beberapa puncak yang waktunya dapat memberikan informasi tentang konduksi melalui bagian berurutan dari jalur pendengaran.

Pengujian BAEP berguna ketika fungsi jalur pendengaran perlu dinilai tanpa sepenuhnya mengandalkan respons perilaku seseorang. Ini dapat digunakan dalam evaluasi neurologis terpilih, penilaian pendengaran, dan situasi di mana kerja sama terbatas. Karena perekaman sensitif terhadap tingkat stimulus, kondisi telinga, penempatan elektroda, dan gangguan listrik, hasil harus dipertimbangkan bersama dengan informasi pendengaran dan neurologis lainnya.

Somatosensory Evoked Potentials (SSEP)

Somatosensory evoked potentials mengevaluasi jalur yang membawa sensasi dari anggota tubuh menuju sumsum tulang belakang dan otak. Pulsa listrik ringan dialirkan ke saraf perifer, seringkali di pergelangan tangan atau pergelangan kaki, sementara respons direkam di beberapa titik di sepanjang rute tersebut. Sinyal yang dihasilkan dapat membantu menilai apakah konduksi dipertahankan melalui saraf perifer, struktur tulang belakang, dan jalur sensorik sentral.

Pengujian SSEP sangat relevan ketika klinisi membutuhkan informasi fungsional tentang integritas sumsum tulang belakang atau jalur sensorik. Ini juga dapat digunakan selama prosedur bedah tertentu untuk memantau fungsi jalur dari waktu ke waktu. Tes ini tidak mengukur setiap aspek sensasi, dan respons abnormal harus dibedakan dari efek yang disebabkan oleh suhu, posisi anggota tubuh, penyakit saraf perifer, obat-obatan, atau gangguan teknis.

Tantangan dan Variabel dalam Mengukur Evoked Potential

Sinyal populasi yang mendefinisikan evoked potential selalu tertanam di dalam aktivitas listrik spontan otak yang sedang berlangsung, dan latar belakang tersebut biasanya lebih besar daripada respons yang dikelilinginya.

Hal ini menciptakan tantangan praktis. Jika EEG spontan lebih besar daripada respons yang dibangkitkan, satu uji coba sering kali tidak dapat menunjukkan sinyal yang terkunci stimulus dengan jelas.

Solusi klasiknya adalah perataan sinyal (signal averaging) di mana stimulus yang sama disajikan berkali-kali. Setiap zaman EEG diselaraskan dengan momen tepat dari onset stimulus, dan uji coba yang dihasilkan dirata-ratakan bersama.

Respons yang dibangkitkan, yang terjadi pada latensi yang sama di setiap uji coba, bertahan dalam proses perataan. Aktivitas spontan, yang tidak sinkron dengan stimulus, cenderung saling menghilangkan.

Analisis Uji Coba Tunggal dan Pemrosesan Sinyal

Meskipun perataan telah menjadi pendekatan standar selama beberapa dekade, itu bukan satu-satunya jalan. Dengan metode pemrosesan sinyal yang tepat, analisis uji coba tunggal (single-trial) sangat dimungkinkan.

Sebuah studi oleh Başar dkk. tentang aktivitas spontan 40 Hz dan auditory evoked potentials melaporkan bahwa metode analisis sinyal yang diterapkan memungkinkan pemeriksaan uji coba tunggal dari gabungan zaman EEG dan evoked potential daripada memerlukan bentuk gelombang rata-rata yang besar. Pendekatan uji coba tunggal sangat penting karena mempertahankan variabilitas dari uji coba ke uji coba yang dihilangkan oleh proses perataan.

Para penulis studi tersebut juga mencatat bahwa metode mereka dapat diperluas ke studi tentang proses kognitif, di mana sinyal yang bermakna dapat berubah dari satu uji coba ke uji coba berikutnya.

Dampak Keadaan Otak Pra-Stimulus

Keadaan pra-stimulus otak dapat membentuk ukuran respons yang mengikutinya. Sebuah studi stimulasi magnetik transkranial terhadap empat pria dewasa yang sehat secara klinis mengeksplorasi hubungan ini. Para peneliti merekam EEG dan elektromiografi sambil memberikan pulsa magnetik ke korteks motorik kiri pada ambang batas motorik 100%, intensitas pulsa yang secara andal memicu respons otot, dan pada kecepatan 0,1 Hz.

Mereka menemukan:

• Korelasi negatif yang signifikan (−0,22) dengan kekuatan alfa-tinggi

• Korelasi positif yang signifikan (+0,17) dengan kekuatan gama

• Korelasi terkuat (0,27) dengan rasio gama-rendah terhadap alfa-tinggi

Para penulis menginterpretasikan korelasi ini sebagai indikator potensial dari eksitabilitas kortikal. Otak yang berjalan dalam keadaan aktif, dengan aktivitas gama yang relatif lebih banyak dan alfa yang lebih sedikit, mungkin merespons lebih kuat terhadap pulsa stimulasi. Otak yang didominasi oleh ritme alfa yang lebih lambat mungkin menunjukkan respons yang lebih kecil.

Namun korelasi tersebut tergolong sedang, dan sampelnya hanya empat peserta. Temuan ini menunjukkan adanya hubungan nyata antara pita frekuensi pra-stimulus dan ukuran respons yang dibangkitkan, tetapi tidak dapat berdiri sendiri sebagai model yang mapan.

Apa yang Sebenarnya Dibangkitkan?

Tantangan inti kedua adalah memastikan apa sebenarnya yang dibangkitkan sejak awal.

Tidak setiap potensial yang diberi label "evoked" dihasilkan murni oleh stimulus yang dimaksudkan. Banyak teknik stimulasi otak membawa efek samping sensorik bawaan yang dengan sendirinya dapat memicu respons otak.

Stimulasi magnetik transkranial (TMS) adalah studi kasus yang berguna. TMS menggunakan pulsa magnetik singkat untuk mengeksitasi populasi neuron di wilayah kortikal yang ditargetkan. Namun koil magnetik juga menghasilkan bunyi klik yang keras, dan pulsa tersebut menciptakan sensasi fisik pada kulit kepala.

Kedua efek perifer ini merupakan peristiwa sensorik tersendiri. Bunyi klik mengaktifkan sistem pendengaran, dan sensasi kulit kepala mengaktifkan sistem somatosensorik.

Signifikansi dari ambiguitas ini ditunjukkan dalam sebuah eksperimen tahun 2019 yang melibatkan 17 individu muda yang sehat. Para peneliti memberikan TMS nyata pada dua wilayah kortikal, korteks parietal posterior kiri dan girus frontal superior, dan merekam respons terhadap stimulasi tiruan (sham) realistis yang meniru klik dan sensasi kulit kepala tanpa menghasilkan pulsa transkranial. Mereka menerapkan tindakan pencegahan standar, termasuk lapisan busa di bawah koil dan penutupan bising pendengaran (auditory noise masking).

Namun, terlepas dari langkah-langkah ini, potensial kortikal yang dibangkitkan oleh TMS nyata sangat mirip dengan potensial yang dibangkitkan oleh TMS tiruan yang realistis. Fitur temporal dan spasial cocok untuk komponen awal dan akhir dari respons.

Ini tidak berarti evoked potential tidak valid. Ini berarti bahwa respons yang direkam tidak secara otomatis merupakan respons terhadap stimulus yang dimaksudkan. Penulis studi menyimpulkan bahwa kondisi kontrol multisensorik perifer diperlukan dalam desain TMS-EEG untuk memisahkan komponen transkranial dari non-transcranial. Logika ini meluas ke metode stimulasi apa pun dengan efek samping sensorik yang membutuhkan kontrol yang mengisolasi jalur target.

Mengapa Evoked Potential Penting

Kehati-hatian metodologis di atas bukan alasan untuk mengabaikan evoked potential. Itu adalah bagian dari alasan mengapa metode ini tetap berguna. Sinyal yang dapat diatur waktunya, direkam, dan dikontrol secara tepat adalah sinyal yang dapat diterapkan.

Di berbagai bidang penelitian dan klinis, evoked potential umumnya digunakan untuk:

• Menguji apakah jalur sensorik masih utuh

• Memantau respons otak selama prosedur medis

• Merancang antarmuka otak-komputer

Logika di balik pengujian jalur sensorik adalah bahwa jika stimulus merambat di sepanjang rute yang sehat dari organ indra ke otak, respons yang terikat waktu harus muncul pada latensi yang diharapkan. Respons yang tertunda atau tidak ada dapat menunjukkan adanya gangguan di suatu tempat di sepanjang rute tersebut.

Mengapa Sinyal Stimulus-Locked Membentuk Neurosains Praktis

Dalam neurosains, evoked potential menunjukkan bahwa respons otak terhadap dunia luar dapat diukur melalui perubahan listrik yang diatur waktunya secara tepat di kulit kepala. Sinyal-sinyal ini muncul dari ribuan neuron kortikal yang bertindak bersama, menjadikannya jendela yang andal untuk melihat aktivitas otak tingkat populasi, bukan aktivitas sel tunggal mana pun.

Sifat waktu yang sama yang membuatnya dapat diidentifikasi juga menciptakan tantangan ilmiah utama: ritme otak spontan biasanya lebih besar, sehingga memisahkan respons yang terkunci membutuhkan uji coba berulang atau analisis uji coba tunggal yang cermat. Peneliti juga memerlukan kondisi kontrol ketika stimulasi membawa efek samping sensorik, karena respons yang direkam mungkin mencerminkan tambahan tersebut daripada stimulus yang dimaksudkan saja.

Bahkan sebelum stimulus tiba, keadaan otak yang sedang berlangsung dapat membentuk seberapa besar respons yang dihasilkan, dengan pita frekuensi yang lebih cepat dikaitkan dengan respons yang lebih kuat dalam studi yang ditinjau. Ini menunjukkan otak yang tidak pasif begitu saja; ritme internalnya pada saat input memengaruhi apa yang diukur.

Selain itu, alat praktis seperti antarmuka otak-komputer dapat menggunakan sifat-sifat frekuensi terkunci dari evoked potential untuk pemantauan waktu nyata, seperti mendeteksi kelelahan melalui perubahan kekuatan EEG. Namun, bukti terkuat mendukung sifat sinyal dasar, sementara banyak penggunaan yang lebih luas tetap menjanjikan tetapi belum sepenuhnya terbukti.

Referensi

1. Başar, E., Rosen, B., Başar-Eroglu, C., & Greitschus, F. (1987). The associations between 40 Hz-EEG and the middle latency response of the auditory evoked potential. International Journal of Neuroscience, 33(1-2), 103-117. https://doi.org/10.3109/00207458708985933

2. Zarkowski, P., Shin, C. J., Dang, T., Russo, J., & Avery, D. (2006). EEG and the variance of motor evoked potential amplitude. Clinical EEG and neuroscience, 37(3), 247-251. https://doi.org/10.1177/155005940603700316

3. Conde, V., Tomasevic, L., Akopian, I., Stanek, K., Saturnino, G. B., Thielscher, A., ... & Siebner, H. R. (2019). The non-transcranial TMS-evoked potential is an inherent source of ambiguity in TMS-EEG studies. Neuroimage, 185, 300-312. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2018.10.052

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Apa itu evoked potential?

Evoked potential adalah perubahan tegangan EEG yang berbeda dan terukur yang terjadi segera setelah dan sebagai respons terhadap stimulus eksternal (sperti cahaya, suara, atau sentuhan). Ini bersifat "stimulus-locked," yang berarti memiliki penundaan yang dapat diprediksi setelah stimulus.

Bagaimana evoked potentials berbeda dari aktivitas otak spontan?

Aktivitas spontan adalah aliran medan listrik otak yang terus berlangsung dan terus-menerus yang terjadi terlepas dari rangsangan eksternal. Evoked potential adalah respons kecil yang diatur waktunya secara tepat terhadap peristiwa tertentu yang berada di atas aktivitas latar belakang ini.

Mengapa perataan sinyal digunakan dalam penelitian EEG?

Aktivitas otak spontan biasanya lebih besar daripada respons kecil yang dibangkitkan, membuatnya sulit dilihat dalam satu uji coba tunggal. Menyajikan stimulus berkali-kali dan merata-ratakan epoch menyebabkan aktivitas spontan yang acak dan tidak tersinkronisasi saling menghilangkan sementara evoked potential yang konsisten dan terkunci stimulus tetap bertahan.

Apakah analisis uji coba tunggal (single-trial) dari evoked potentials dimungkinkan?

Ya. Meskipun perataan sinyal adalah metode tradisional, metode pemrosesan sinyal yang canggih memungkinkan analisis uji coba tunggal. Pendekatan ini, seperti yang dibahas dalam studi oleh Başar dkk., sangat berharga karena mempertahankan variabilitas dari uji coba ke uji coba yang dihilangkan oleh perataan, yang sangat berguna untuk mempelajari proses kognitif yang berubah-ubah.

Peran apa yang dimainkan oleh keadaan otak pra-stimulus?

Aktivitas otak yang sedang berlangsung sesaat sebelum stimulus memengaruhi ukuran respons berikutnya. Sebuah studi stimulasi magnetik transkranial menunjukkan bahwa keadaan pra-stimulus yang "aktif" (ditandai dengan kekuatan gama yang lebih tinggi dan kekuatan alfa yang lebih rendah) berkorelasi dengan respons yang lebih kuat dan lebih mudah dieksitasi.